范 雨，蔡敢為

（廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004）

0 引言

我國(guó)的甘蔗產(chǎn)量雖居于世界第三位[1]，但是事實(shí)上我國(guó)僅是甘蔗產(chǎn)量大國(guó)，并非強(qiáng)國(guó)，其中重要的原因之一就是我國(guó)甘蔗產(chǎn)業(yè)的機(jī)械化的發(fā)展受到了阻礙[2]。甘蔗的捆綁包裝是收獲過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，而現(xiàn)有的針對(duì)甘蔗的捆綁包裝機(jī)械還是比較稀少而甘蔗尺寸和重量都較一般農(nóng)產(chǎn)品大，上下料困難[3]?；谝陨戏治觯收崂墮C(jī)處于產(chǎn)品進(jìn)化過(guò)程S曲線[1]的技術(shù)改進(jìn)階段的前期，將有很大的改進(jìn)空間。本文首先介紹了這種甘蔗捆綁機(jī)的初步設(shè)計(jì)及工作原理，然后針對(duì)主要的零部件進(jìn)行可靠性分析。

1 甘蔗捆綁機(jī)的設(shè)計(jì)原理

1.1 甘蔗捆綁機(jī)的設(shè)計(jì)思路

在對(duì)甘蔗進(jìn)行捆綁包裝之前，首先要對(duì)甘蔗進(jìn)行裝載，考慮到甘蔗的生產(chǎn)的收獲階段主要是利用甘蔗收獲機(jī)完成的，那么，采取直接將甘蔗收獲機(jī)或甘蔗裝載機(jī)將收獲完成的甘蔗裝載到所設(shè)計(jì)的甘蔗捆綁機(jī)的方案，而不是用人力或借助于其他機(jī)械設(shè)備對(duì)甘蔗進(jìn)行裝載，所采取的這種方案將會(huì)大大提高工作效率；裝載完成后要對(duì)甘蔗進(jìn)行捆綁包裝，這部分也是本文所要設(shè)計(jì)的主要部分；包裝完成后要對(duì)已經(jīng)捆綁好的甘蔗進(jìn)行卸載，為了方便，節(jié)省人力，仍然采用利用甘蔗自重作用，采用底卸式[5]方案，直接卸載到拖運(yùn)小車的車廂內(nèi)，由拖運(yùn)小車運(yùn)走并進(jìn)入下一個(gè)工作環(huán)節(jié)。為了制糖方便，綠色無(wú)污染，捆綁機(jī)所采用的繩子為麻繩[2]。設(shè)計(jì)的甘蔗捆綁機(jī)如圖1所示。

圖1 甘蔗捆綁機(jī)完整裝配圖

1.2 甘蔗捆綁機(jī)機(jī)架及料斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，機(jī)架和料斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最好是能夠讓甘蔗“自適應(yīng)”地、整齊地進(jìn)入料斗。料斗的開(kāi)合由可控的液壓缸驅(qū)動(dòng)的，實(shí)現(xiàn)甘蔗的裝載與卸載，平穩(wěn)可靠，也適應(yīng)甘蔗地的工作現(xiàn)場(chǎng)。

1.3 甘蔗捆綁機(jī)的捆綁機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

甘蔗裝載的下一道工序就是要對(duì)甘蔗進(jìn)行打捆包裝。實(shí)際上，在甘蔗裝載之前，要把繩子攤開(kāi)，待甘蔗裝載后，還要把繩子兩端合攏，進(jìn)一步完成打結(jié)操作；打結(jié)完成之后，要對(duì)繩子進(jìn)行割斷操作。因此，為了完成上述任務(wù)，分別需要設(shè)計(jì)送繩機(jī)構(gòu)、打結(jié)機(jī)構(gòu)和剪繩機(jī)構(gòu)。

為了完成繩子的“遞交”任務(wù)，設(shè)計(jì)了如圖2(a)所示的送繩鉗。傳動(dòng)軸與可動(dòng)鉗塊之間通過(guò)旋向相反的螺紋相連，實(shí)現(xiàn)鉗塊的加緊與松開(kāi)。送繩鉗整體安裝在主托板上。為了完成繩子的“接受”任務(wù)，設(shè)計(jì)繩夾機(jī)構(gòu)，如圖2(b)所示。繩夾兩側(cè)通過(guò)壓緊彈簧壓緊。送繩鉗夾持著繩子向前運(yùn)動(dòng)，便將繩子“擠入”繩夾中。與此同時(shí)，分別位于兩個(gè)托板下邊的繩槽將繩子聚攏。于是，上有繩夾固定的雙根繩子與下邊的繩槽聚攏的雙根繩子合疊在一起，形成貫穿上下的拉直狀態(tài)，為下一步的打結(jié)做好準(zhǔn)備。繩夾機(jī)構(gòu)整體安裝在副托板上。繩夾機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便易行，巧妙地減少了動(dòng)力源個(gè)數(shù)。

圖2 送繩鉗與繩夾機(jī)構(gòu)

根據(jù)人單手對(duì)繩子進(jìn)行打結(jié)的姿勢(shì)和動(dòng)作原理，類比設(shè)計(jì)了打結(jié)機(jī)構(gòu)，如圖3所示。鉗頭的設(shè)計(jì)即是模擬人單手對(duì)繩子打結(jié)過(guò)程中所使用的食指和拇指，對(duì)繩子的咬緊與放開(kāi)通過(guò)凸輪及拉緊彈簧的配合加以實(shí)現(xiàn)。

圖3 打結(jié)機(jī)構(gòu)

對(duì)繩子打完結(jié)后，要對(duì)繩子進(jìn)行剪斷處理。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了如圖4所示的剪斷機(jī)構(gòu)。由主動(dòng)輪、矩形滑塊以及回字形推桿組成的正弦機(jī)構(gòu)[3]實(shí)現(xiàn)剪刀的剪繩操作。

圖4 剪繩機(jī)構(gòu)

如圖5所示是甘蔗捆綁機(jī)的主要機(jī)構(gòu)的裝配圖。

圖5 主要機(jī)構(gòu)裝配圖

2 繩鉗的可靠性研究

2.1 最大應(yīng)力截面的確定

首先，確定繩鉗的最大應(yīng)力截面，及危險(xiǎn)截面。上鉗額在工作過(guò)程中，勾住繩子拉住繩子時(shí)是其工作周期中承受拉力最大的環(huán)節(jié)。實(shí)際上，繩子勾住的位置為下鉗顎的根部，這時(shí)鉗口是緊閉的，那么壓力就會(huì)均勻分布在上鉗顎的齒面上。

甘蔗的密度為1067kg/m3[8]，按照甘蔗的平均長(zhǎng)度2m，直徑為0.04m，每捆甘蔗20根作為本機(jī)的設(shè)計(jì)要求。拉住繩子打結(jié)過(guò)程中，繩子與豎直方向的夾角為20°計(jì)算。為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，繩鉗的拉力至少為：

夾嘴面積為217mm2。初步計(jì)算鉗口上的均布載荷為0.8986Mpa。繩鉗的材料采用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q215A，屈服強(qiáng)度為205Mpa，抗拉強(qiáng)度為335Mpa～450Mpa，彈性模量為2×105Mpa，剪切模量76923Mpa，泊松比為0.3[9]。

由于打結(jié)機(jī)構(gòu)速度較低，故通過(guò)有限元分析軟件Workbench采用靜力學(xué)分析確定危險(xiǎn)截面的位置。如圖6所示。

圖6 Workbench應(yīng)力分析

由圖6可以看出危險(xiǎn)截面位于上鉗顎與側(cè)幫相接的截面位置。

2.2 應(yīng)力的求解

根據(jù)圖7所示的形狀尺寸，進(jìn)行受力分析，如圖所示。

圖7 上鉗顎的形狀與尺寸

若繩子對(duì)繩鉗的拉力為F，則均布應(yīng)力為：

那么危險(xiǎn)截面的最大正應(yīng)力為：

結(jié)合第四強(qiáng)度理論[4]：σ-τ的復(fù)合應(yīng)力表達(dá)式為[11]：

應(yīng)力集中系數(shù)Kα與組合應(yīng)力集中系數(shù)Kαc實(shí)際計(jì)算不會(huì)相差很大，故一般就用應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算即可[12]。

2.3 基于Monte Carlo[13]方法確定應(yīng)力分布

由于甘蔗的直徑和長(zhǎng)度是隨機(jī)的故導(dǎo)致拉力F也是隨機(jī)的。一般而言，甘蔗的半徑和長(zhǎng)度均服從正態(tài)分布，其他形狀尺寸均服從正態(tài)分布。則有：

Monte Carlo模擬方法的步驟為：

然后，對(duì)每一個(gè)隨機(jī)變量Xi(i=1,2,…,7)在(0,1)上生成N個(gè)隨機(jī)數(shù)pij(j=1,…,N)，作為隨機(jī)變量各自的概率分布函數(shù)Fi(Xij)的值；

3) 計(jì)算應(yīng)力。將每一次模擬得到的隨機(jī)數(shù)值代入式(1)中，進(jìn)行求解；

σmaxj=g(X1j,X2j, … ,X7j) （j=1,…,N）。然后求解應(yīng)力樣本函數(shù)隨機(jī)值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差；

4）通過(guò)MATLAB做出應(yīng)力函數(shù)隨機(jī)值的頻數(shù)分布直方圖（如圖8所示），并擬合其分布。

圖8 頻數(shù)分布直方圖

對(duì)于分布的Monte Carlo模擬方法的求解，存在著求解精度與抽樣次數(shù)之間的矛盾[15]。圖8是在選擇的抽樣次數(shù)為100000次的情況下求得的結(jié)果。并得到的樣本均值和標(biāo)準(zhǔn)差為：。

通過(guò)觀察，與伽瑪分布比較接近。并利用MATLAB的dfittool擬合工具箱采用gamma在可信度為99%時(shí)進(jìn)行擬合。擬合結(jié)果如圖9所示。

圖9 伽瑪分布擬合

2.4 可靠度的計(jì)算

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)資料初步判斷其強(qiáng)度的分布為正態(tài)分布：

首先采用數(shù)值積分法求解失效率。具體方法是，首先在統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)將橫軸x進(jìn)行n等分，圖10為二者概率密度函數(shù)圖像。于是有：

圖10 概率密度函數(shù)圖像

由此可見(jiàn)，該繩鉗的上鉗顎設(shè)計(jì)具有足夠的可靠度，完全滿足要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文首先分析了甘蔗收獲過(guò)程中的一些特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際工作情況，然后根據(jù)要完成的工作任務(wù)和待解決的矛盾逐一確定基本設(shè)計(jì)思路，進(jìn)而完成一種甘蔗捆綁機(jī)的設(shè)計(jì)。其突出優(yōu)點(diǎn)在于：收獲甘蔗的同時(shí)，依靠已經(jīng)收獲好的甘蔗自身重力落入料斗內(nèi)，完成捆綁工作后，利用甘蔗自身的重力采用底卸式進(jìn)行卸料裝載；打結(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與布置結(jié)構(gòu)緊湊；本捆綁機(jī)所采用的繩子的材料采用麻繩，因?yàn)槁槔K的主要成份是纖維素，綠色無(wú)毒制糖過(guò)程中無(wú)需解下分離。然后，對(duì)其關(guān)鍵的零部件繩鉗的上鉗顎進(jìn)行了可靠性分析，分析結(jié)果顯示：繩鉗的設(shè)計(jì)完全滿足可靠性設(shè)計(jì)要求。但是后續(xù)工作還需對(duì)其他關(guān)鍵的零部件進(jìn)行可靠性分析，進(jìn)而綜合得到系統(tǒng)的可靠性，然后通過(guò)調(diào)整設(shè)計(jì)所要研究的各個(gè)隨機(jī)變量來(lái)實(shí)現(xiàn)總體可靠度的要求。

[1] 潘侃,范雨,溫芳.一種甘蔗捆繩機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與靜力學(xué)研究[J].裝備制造技術(shù),2014(08).

[2] 李海福.廣西甘蔗生產(chǎn)現(xiàn)狀及對(duì)策研究[D].2012,廣西大學(xué):南寧.

[3] 耿葵花,蔡敢為,范雨,等.一種甘蔗捆繩機(jī):中國(guó),CN103703941A[P].2014-04-09.

[4] 檀潤(rùn)華.創(chuàng)新設(shè)計(jì):TRIZ:發(fā)明問(wèn)題解決理論[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[5] 薛河.底側(cè)卸式礦車最佳卸載曲軌線初探[J].煤礦機(jī)械, 1989(10):9-10.

[6] 蔡敢為,范雨,耿葵花,等.一種甘蔗捆綁機(jī):中國(guó),CN103703937A[P]. 2014-04-09.

[7] 蔡敢為,范雨,等.一種搖籃機(jī)構(gòu):中國(guó),CN103829661A[P].2014-06-04.

[8] 陳永繼.甘蔗—土壤系統(tǒng)仿真模型的研究[D].廣西大學(xué),2008.

[9] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版）[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[10] 劉鴻文.材料力學(xué)I（第五版）[M].北京:高等教育出版社,2004.

[11] 陳四利.第三強(qiáng)度理論與第四強(qiáng)度理論的統(tǒng)一表達(dá)式[J].力學(xué)與實(shí)踐,1997(04).

[12] 航空工業(yè)部科學(xué)技術(shù)委員會(huì).應(yīng)力集中系數(shù)手冊(cè)[M].北京:高等教育出版社,1987:16.

[13] C.L.T. Borges, D.M. Faleao, J.C.O. Mellon.Composite reliability evaluation by sequential Monte Carlo simulation on parallel and distributed proeessing environment[A].IEEE Transactions on Power Systems[C].2001,6(2).

[14] 杜書華.輸運(yùn)問(wèn)題的計(jì)算機(jī)模擬[M].長(zhǎng)沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社,1989.

[15] 劉惟信.機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1996.